尿糖近红外光谱的测量和研究

姚武斌

（太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所 山西太原 030024 山西医科大学第一医院 山西太原 030001）

尿糖近红外光谱的测量和研究

姚武斌

（太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所 山西太原 030024 山西医科大学第一医院 山西太原 030001）

首次探索了以尿液近红外光谱为研究对象，建立尿糖浓度数学模型，进行尿糖定量测量的方法。建立了适合尿液近红外光谱采集的测量系统，对实际的尿液样品进行了光谱采集。分析了尿液近红外光谱。选择了参加建模的样品的浓度范围、最佳的预处理方法和光谱区间。

糖尿病；近红外光谱；数学模型

引言

糖尿病的检查主要有血糖检查和尿糖的检查。尿糖的检查又分为定性检查和定量检查，尿糖的定性检查目前临床上应用最广泛的方法仍然是硫酸铜还原法。用以确定尿糖浓度的高低，浓度是在一个范围内，用“+”号的多少表示尿糖浓度的高低。尿糖定量检查主要是测定24h尿糖定量正常人每天从尿中排出微量葡萄糖，约0.18～0.5mmol（32～93mg）。国内报道糖尿病病人24h尿糖最高达636g，国外有报道超过1000g者。多数病人在100g以下。

精确定量检查尿糖浓度的方法还没有见到报道。尿液标本的收集对病人来讲没有痛苦，是一种容易获得的检验标本。如果在临床中用近红外光谱分析的方法精确定量检查尿糖的浓度。会为糖尿病的诊断增加一个有效的途径。

1 尿糖近红外光谱测量系统的建立与尿糖近红外光谱的采集和预处理

1.1 测量仪器的选择

光谱仪仍然用NICOLET的Nexus870傅立叶红外光谱仪。采集尿液的近红外光谱应当采用对样品透射的方法，测量不同浓度尿液吸光度的变化，得到吸光度变化与尿糖浓度之间的对应关系。样品架采用和做采集葡萄糖溶液近红外光谱时一样的样品架，采用1mm光程，K9玻璃的样品池。

1.2 尿液样品的准备

尿液来自一名9岁男性儿童，在儿童空腹的情况下取得。因尿糖的精确浓度无法测得，在不影响一般性的基础上，设原尿液的葡萄糖浓度为3mmol/l，然后加入葡萄糖粉末来改变尿糖的浓度。制备了从3～165mmol/l的56份尿液样品，浓度间隔为3mmol/l。

1.3 仪器参数设置

实验中傅立叶光谱仪Nicolet公司的Nexus-870的参数设置为：扫描次数为32次、分辨率为1cm-1、数据间隔为1.928cm-1、光源采用白光、探测器为TEC In GaAs 2.6μm。

1.4 光谱的采集和预处理

以水为背景，用光谱仪的专用软件OMNIC E.S.P 5.2a采集光谱。

本实验对光谱信号做了两步预处理：谱图的平滑分辨出被噪声掩盖的吸收峰；基线校正是为了使原始光谱中不含光谱信息的谱段平整并表现为零吸收，使含有样品信息的谱段突出。

2 尿液尿糖浓度校正模型的建立

2.1 样品浓度范围的选择

在近红外光谱分析中，校正集样品的选择及校正集样品基础数据测量的准确性直接决定所建立校正模型的适用性和准确性。所选择的校正集样品的光谱特征及性质范围应能覆盖以后未知样品的光谱特征，以保证校正模型的适用性和测试结果的准确性。

制备的样品浓度范围为3～165mmol/l，共56份。浓度范围非常大，建立模型时是否都应该加入校正样品集应从校正模型的具体情况来判断。下面把光谱数据分浓度范围3～165mmol/l和3～30mmol/l分别建立数学模型进行比较。

2.1.1 建立3～165mmol/l浓度范围的数学模型

在计算机上，应用Nexus-870傅立叶红外光谱仪的专用光谱处理软件TQAnalystV6，将尿液中葡萄糖含量与光谱间进行偏最小二乘法回归（PLS），得到校正模型。仍然选择用偏最小二乘法建立模型。建立模型的光谱区间为7500～8500cm-1。校正模型的计算结果和实际值相关的准确度并不是很高，相关系数虽然达到了0.979，但偏差却在-23～22mmol/l之间，显然不能满足尿糖定量检测的要求。我们认为产生这么大误差的原因可能有两方面的原因：①尿液样品浓度间隔太大；②尿液样品浓度范围太大。

2.1.2 建立3～30mmol/l浓度范围的数学模型

人的血糖浓度在0.3～30mmol/l之间，尿糖浓度也会在这个范围附近，而165mmol/l这个浓度已远远超出了正常范围。葡萄糖浓度过大在尿液中会有析出的现象。显然3～165mmol/l这个范围的样品集选择的不好。

以人的血糖浓度为参考，仅采用3～30mmol/l的光谱数据来建立浓度模型。这个时候模型的相关系数达到1.000，偏差范围在-0.03～0.04mmol/l之间。这个校正模型所选的校正样品集的性质范围覆盖了以后未知的光谱特征。用这个校正模型可以预测未知样品的尿糖浓度，实现了尿糖的定量检测。

2.2 光谱区间的选择

本文在4250～4850cm-1、5500～6500cm-1、7500～8500cm-1、8500～10000cm-1、4000～10000cm-1、及各光谱区间的组合分别进行了建模分析，在不同波长范围下PLS回归得到的最佳主因子数、均方差（RMSEC）、相关系数R和误差范围。

在7500～8500cm-1这个光谱区间进行建模相关系数最大，均方根差最小。在这个区域重复性比较高，因此应该选用这一光谱区间来对尿糖浓度进行回归建模。

2.3 预测结果比较

将参加建模的10个样品都分别做为未知浓度的样品进行预测，并与实际值进行比较，用教正模型对每一个尿液样品的浓度进行预测，偏差最小达到0.00，偏差最大为0.04mmol/l。

3 小结

本文通过用偏最小二乘法建立了尿糖浓度和近红外光谱的数学模型。模型的相关系数达到1.00，均方差为0.017，偏差在-0.03～0.04mmol/l之间。在这个实验中存在着一些问题：①准备的尿液样品浓度的间隔太大；②没有确定原尿液的尿糖浓度。

通过实验和初步分析，可以得出，用近红外光谱的方法可以实现尿糖的定量检测。突破了用传统方法不能进行尿糖定量测量的限制，实现了尿糖快速、准确的测量，为糖尿病的诊断和检验提供了一条新的途径。

[1]陆婉珍.现代近红外光谱分析技术[M].北京：中国石化出版社，2000.

[2]常建华，董绮功.波谱原理及分析[M].北京：科学出版社，2001.

O657.33

A

1004-7344（2016）26-0335-01

2016-9-4

姚武斌（1976-），男，山西临猗人，山西医科大学第一医院精神科心理治疗师，2010年7月毕业于山西职工医学院，临床医学专业，主要从事心理治疗工作。